基于基本量子原理的Kibble天平设计增强机制

基于基本量子原理的Kibble天平设计增强机制


直到2018年,国际单位制的质量单位千克被定义为真实物体的质量:国际原型千克,保存在巴黎郊区的一个安全设施中。2018年11月16日,千克被赋予了一个新的,国际公认的定义,基于三个定义常数:光速,普朗克常数和铯的超精细跃迁频率。根据新定义测量质量的方法之一是名为Kibble天平的设备。

尽管该器件的测量精度目前很高,但其组件可以改进以减少不确定性源。通过发表在EPJ Techniques and Instrumentation上的新研究,美国国家标准与技术研究院(NIST)的Darine Haddad及其同事展示了一种新的优化的Kibble天平设计方法如何进一步提高其精度。

今天,Kibble天平允许研究人员直接基于基本量子原理测量宏观尺度的质量。为此,测量了两种量子效应:称为约瑟夫森效应和量子霍尔电阻(QHR) - 一种量子化的电阻形式,可以在低温下在2D材料中测量,当受到强磁场时。目前,QHR是在测量系统外部的单独实验中实现的,这给Kibble天平的整体测量带来了不确定性。

为了克服这个问题,NIST的研究人员正在开发量子机电计量套件(QEMMS)。该器件将QHR直接接入Kibble天平的电路和用于测量约瑟夫森电压的系统,从而消除了任何校准不确定性。

在他们的研究中,Haddad的团队提出了一种针对QMEMMS的优化设计,目标是10到200g的质量。对于100g的质量,他们表明可以在相对不确定度仅为2x10的情况下进行测量-8—对之前的 Kibble 天平设计进行了显著改进。因此,QEMMS可能很快允许研究人员对宏观质量进行独立,超精确的测量 ,从而显着改善他们的实验数据。




更多信息:Lorenz Keck等人,为直接追溯到量子SI的新Kibble天平设计增强机制,EPJ技术和仪器(2022)。DOI: 10.1140/epjti/s40485-022-00080-3

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